KR100778648B1 - A stack of polymeric membrane fuel cells - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고분자 막 연료 전지의 스택에 관한 것으로, 본 발명의 고분자 막 연료 전지의 스택에서는 전기 에너지의 생성에 의해 발생되는 열의 제거와, 전해물로서 사용된 이온 교환막들의 가습이 단일 유압 회로로부터 도입하는 물의 직접 분사에 의해 얻어진다. 따라서, 상기 스택은 보다 소형이고, 저가이며, 작동이 용이하도록 제조된다.The present invention relates to a stack of polymer membrane fuel cells, wherein in the stack of polymer membrane fuel cells of the present invention, the removal of heat generated by the generation of electrical energy and the humidification of ion exchange membranes used as an electrolyte are introduced from a single hydraulic circuit. Obtained by direct injection of water. Thus, the stack is made smaller, cheaper and easier to operate.

연료 전지, 냉각, 직접 분사, 물, 망형 부재Fuel Cell, Cooling, Direct Injection, Water, Reticulated Members

Description

고분자 막 연료 전지의 스택{A stack of polymeric membrane fuel cells}Stack of Polymeric Membrane Fuel Cells

본 발명은 연료 전지에 관한 것으로, 보다 명확하게는, 전해물(electrolyte)로서 고분자 막을 사용하는 연료 전지에 관한 것이다.TECHNICAL FIELD The present invention relates to a fuel cell, and more particularly, to a fuel cell using a polymer membrane as an electrolyte.

연료 전지들은 직류 형태의 전기 에너지의 전기화학적 발전기이며, 한편, 이들은 연료[예들 들어, 메탄올이나 에탄올 같은 경알콜(light alcohol)이나 수소를 함유하는 가스성 혼합물]와 산화제(oxidant)(예를 들어, 공기 또는 산소)의 반응시 자유 에너지를 그 완전한 열화없이 열 에너지로 변환하고, 따라서, 카르노 사이클(Carnot cycle)의 제한에 속박되지 않는다. 화학 에너지의 전기 에너지로의 양호한 변환을 달성하기 위해서, 연료는 전자와 H+ 이온의 방출과 동시에 상기 전지의 아노드(anode)에서 산화되고, 산화제는 캐소드(cathode)에서 환원되며, 여기서, H+ 이온이 흡수된다. 발전기의 두 개의 폴은 반드시 적절한 전해물에 의해 격리되어야만 하며, 상기 전해물은 아노드로부터 캐소드로의 H+ 이온의 연속적인 흐름을 허용하고, 동시에, 일극으로부터 나머지로 전자들의 전달을 방해하여 두 전극들 사이의 전위차를 최대화한다. 이 전위차는 사실, 상기 프로세스 자체의 구동력을 나타낸다. 상기 연료 전지들은 특히, 그 극도의 바람직한 환경적 영향(오염 방출물과 소음이 없이 단지 부산물로서 물을 형성)의 측면에서, 종래의 발전 시스템에 대한 양호한 대안으로서 간주되고 있으며, 이들은 다양한 크기의 고정 전력 발생기(전력 스테이션들, 백업 전력 발전기 등) 분야와, 이동 응용 분야(전기 챠량 분야, 자동차 에너지 발생 또는 우주에서의 보조 에너지, 잠수함 및 해군 분야)의 양자 모두에 사용된다. Fuel cells are electrochemical generators of electrical energy in the form of direct current, while they are fuels (eg light alcohols such as methanol or ethanol or gaseous mixtures containing hydrogen) and oxidants (eg , Free energy in the reaction of air or oxygen), without its complete deterioration, and thus not bound to the limitations of the Carnot cycle. In order to achieve a good conversion of chemical energy into electrical energy, the fuel is oxidized at the anode of the cell simultaneously with the release of electrons and H + ions, and the oxidant is reduced at the cathode, where H + Ions are absorbed The two poles of the generator must be sequestered by a suitable electrolyte, which allows the continuous flow of H + ions from the anode to the cathode, while at the same time hindering the transfer of electrons from the one pole to the rest of the electrodes. Maximize the potential difference between This potential difference actually represents the driving force of the process itself. The fuel cells are regarded as a good alternative to conventional power generation systems, especially in terms of their extremely desirable environmental effects (forming water as only by-products without pollution emissions and noise), which are fixed in various sizes. It is used both in the field of power generators (power stations, backup power generators, etc.) and in mobile applications (electric vehicle applications, automotive energy generation or auxiliary energy in space, submarines and navy).

그 신속한 시동 및 최적 작동 상태 달성의 신속성 및, 높은 전력 밀도와, 가혹한 열적 사이클들[실제로 종래의 모든 연료전지 중에서, 폴리머(polymeric) 전해물 연료 전지가 가장 낮은 작동 온도(일반적으로 70 내지 100℃)를 가짐)] 및 부식 현상의 부재 및 적은 수의 가동부들 양자 모두에 관련된 고유의 신뢰성으로 인하여 고분자 막 연료 전지들은 다른 연료 전지들에 비해 부가적인 장점을 제공한다. Its rapid start-up and the speed of achieving optimum operating conditions, high power density and harsh thermal cycles (in fact, of all conventional fuel cells, polymer electrolyte fuel cells have the lowest operating temperatures (typically 70-100 ° C.) And the inherent reliability associated with both the absence of corrosion and the small number of moving parts, the polymer membrane fuel cells offer additional advantages over other fuel cells.

이 목적을 위해 사용되는 중합체 전해물은 이온 교환막, 보다 명확하게는, 카티온(cation) 교환막, 즉, 전기 전하의 분리를 초래하는 산-염기(acid-base) 가수분해를 일으키는 그룹들로 부분적으로 기능화되어 있는 화학적 불활성 폴리머이며, 상기 가수 분해는 보다 명확하게 양이온(카티온)의 방출과, 상기 막을 구성하는 폴리머상에 고정 음전하의 형성을 포함한다. 다공성 전극들이 상기 막의 표면상에 적용되고, 이것이 반응물들이 그를통해 막 경계면에 도달할 때까지 유동하게 한다. 촉매는 상기 전극 및/또는 막 측에, 예를 들어, 플래티넘 블랙(platinum black) 같이 적용되어 있으며, 이는 연료 산화 또는 산화제 환원 중 대응하는 절반의 반응에 양호하다. 또한, 이 배열은 막의 두 개의 표면들 사이에 전위 구배(potential gradient)가 형성되고, 외부 전기 회로가 동시에 닫혀질 때, 카티온들의 연속적 유동을 제공하고, 이 경우에, 상술한 바와 같이, 전달되는 카티온은 H+ 이온이며, 아노드에서 보다 낮은 전기화학적 전위를 가진 스피시스를 공급하고 캐소드에 보다 높은 전기화학적 전위를 가진 스피시스를 공급할 때 발생되는 전위차는 외부 회로가 닫혀지자 마자 외부 회로를 가로지르는 전자 유동(즉, 전류)을 가로지르는 양자 전도(protonic conduction)를 유발한다.The polymer electrolyte used for this purpose is partly composed of ion exchange membranes, more specifically cation exchange membranes, ie groups which cause acid-base hydrolysis resulting in separation of electrical charges. Functionalized chemically inert polymers, wherein hydrolysis more clearly involves the release of cations (cations) and the formation of fixed negative charges on the polymers that make up the membrane. Porous electrodes are applied on the surface of the membrane, which causes the reactants to flow through it until it reaches the membrane interface. A catalyst is applied on the electrode and / or membrane side, for example, as platinum black, which is good for the corresponding half reaction of fuel oxidation or oxidant reduction. This arrangement also provides for a continuous flow of cations when a potential gradient is formed between the two surfaces of the membrane and the external electrical circuit is closed at the same time, in which case the transfer, as described above, The cation being H + ions is the potential difference that occurs when the anode feeds a splice with a lower electrochemical potential and the cathode feeds a splice with a higher electrochemical potential, the external circuit as soon as the external circuit is closed. Induces protonic conduction across the electron flow (i.e. current) across it.

양자 전도는 연료 전지의 동작에 대해 필수적인 조건이며, 그 효율을 평가하기 위한 결정적인 파라미터들 중 하나이다. 일단 전기 회로가 생성된 전기 출력을 이용하는 외부 저항 부하를 가진 상태로 닫혀지면, 불충분한 양자 전도는 전지의 전극들의 전위차의 현저한 강하(전지의 전압 강하)를 유발시킨다. 이것은 열 에너지에 대한 반응 에너지 열화의 증가 및 연료 전환 효율의 연속한 감소를 차례로 유발한다. Quantum conduction is an essential condition for the operation of a fuel cell and is one of the crucial parameters for evaluating its efficiency. Once the electrical circuit is closed with an external resistive load using the generated electrical output, insufficient quantum conduction causes a significant drop in the potential difference (voltage drop in the cell) of the electrodes of the cell. This in turn leads to an increase in reaction energy deterioration with respect to thermal energy and a continuous decrease in fuel conversion efficiency.

최적 양자 전도 특성을 제공하는 일부 카티온-교환막들(cation-exchange membranes)은 상기 분야에서 사용가능하고, 공업 연료 전지들, 예컨대, 미국, 듀퐁 드 네모어스(Dupont de Nemours)사의 상표 Nafion

Figure 112007032312585-pct00013
, 미국, 고어(Gore)사의 상표 Gore Select
Figure 112007032312585-pct00014
, 일본, 아사히 체미컬스(Asahi Chemicals)사의 상표 Aciplex
Figure 112007032312585-pct00015
로 상품화된 공업 연료 전지들에 널리 사용된다. 이와 같은 모든 막들은 양자 전도를 가능하게 하는 전하의 분리가 가수분해 메카니즘(hydrolysis mechanism)에 의해 설립된다는 동작 메카니즘과 연계된 고유의 프로세스 한계에 의해 부정적인 영향을 받고 있으며, 이런 막들은 액상수가 존재할 때에만 그 전도성을 발생시킨다. 비록 연료 전지의 동작의 고유한 결과로서 물이 형성되지만, 그 범위는 특히, 충분히 높은 전류 밀도에서 작동할 때, 막의 소요 수화 상태(hydration state)를 유지하기에는 거의 항상 불충분하게 된다. Some cation-exchange membranes that provide optimum quantum conduction properties are available in the art and are manufactured by industrial fuel cells, such as the trademark Nafion of Dupont de Nemours, USA.
Figure 112007032312585-pct00013
Gore Select, US, Gore
Figure 112007032312585-pct00014
Trademark Aciplex of Asahi Chemicals, Japan
Figure 112007032312585-pct00015
It is widely used in commercial fuel cells commercialized with. All of these membranes are negatively affected by the inherent process limitations associated with the mechanism of action, in which the separation of charges that enable quantum conduction is established by a hydrolysis mechanism, which, in the presence of liquid water, Only its conductivity occurs. Although water is formed as a unique result of the operation of the fuel cell, the range is almost always insufficient to maintain the required hydration state of the membrane, especially when operating at sufficiently high current densities.

사실상, 높은 전류 밀도에서의 동작은 주어진 전력 출력에 대해 투자 비용의 감소를 수반하지만, 더 높은 양의 열의 발생 및 에너지 효율을 감소시킨다. 일반적으로 100℃ 를 초과한 동작에 부적합한 이온 교환막의 한정된 열적 안정성의 관점 뿐만 아니라, 부산물인 물의 증발과, 이에 따른, 전지로부터의 불활성체들과 미변환 반응체들의 방출에 의한 제거를 가능한 제한하여야 한다는 관점에서, 실제 전류 밀도(예컨대, 150 내지 1500 ㎃/㎠ 사이)에서 동작하는 연료 전지에서 발생된 다량의 열은 그 시스템의 열 조절을 하기 위해 효율적으로 제거되어야만 한다. 게다가, 단일 연료 전지의 극들에서의 전압이 실제적으로 사용하기에는 너무 작기 때문에, 미국 특허 제 3,012,086호에 개시된 바와 같이, 상기 전지들은 통상적으로 바이폴러 접합부들(bipolar junctions)에 의해 전기적으로 직렬로 접속되고, 병렬로 반응물을 공급하는 필터-프레스 배열(filter-press arrangement)로 조립된다. 통상적으로 "스택(stack)"이라 지칭되는 그와 같은 연료 전지 배열에서, 열 제거의 문제점이 단일 전지의 경우에 비해 증가하고, 외벽들을 통한 열 방출의 장점을 취하는 것이 가능한 단일 전지의 경우에 비해 열 제거의 문제점이 증가한다. In fact, operation at high current densities entails a reduction in investment costs for a given power output, but reduces the generation of higher amounts of heat and energy efficiency. In addition to limited thermal stability of ion exchange membranes, which are generally unsuitable for operations above 100 ° C., the removal of by-product water and consequent removal by release of inerts and unconverted reactants from the cell should be limited as much as possible. In light of this, large amounts of heat generated in fuel cells operating at actual current densities (eg, between 150 and 1500 mA / cm 2) must be efficiently removed to allow thermal control of the system. In addition, since the voltage at the poles of a single fuel cell is too small for practical use, as disclosed in US Pat. No. 3,012,086, the cells are typically electrically connected in series by bipolar junctions. It is assembled in a filter-press arrangement that supplies the reactants in parallel. In such fuel cell arrangements, commonly referred to as " stacks, " the problem of heat removal is increased compared to the case of a single cell, and compared to the case of a single cell capable of taking advantage of heat dissipation through the outer walls. The problem of heat removal is increased.

이러한 이유 때문에, 종래 연료 전지들의 모든 설계들은 열적 교환에 의한 열 제거에 적합한 수압 회로들(hydraulic circuits)에 순환 유체(circulating fluid)를 제공한다. 이런 유체는 그와 함께 전기적으로 접속된 단일 전지들간에 삽입된 적절한 부분들 또는 바이폴러 플레이트(bipolar plate)들 내에 형성된 뱀과 같은 꾸불꾸불한 형상부들(serpentines)이 제공될 수 있고, 이들 양자는 그 스택들의 구성을 더 복잡하게 하고, 무게 및 체적들을 증가시켜 특히, 차량에 적용하는 경우, 최대화가 고도로 요구되는 요인인 전력 밀도를 감소시킨다.For this reason, all designs of conventional fuel cells provide circulating fluids to hydraulic circuits suitable for heat removal by thermal exchange. Such fluids may be provided with serpentines, such as snakes, formed in appropriate portions or bipolar plates inserted between single cells electrically connected therewith, both of which are The composition of the stacks is further complicated and the weight and volumes are increased to reduce power density, which is a highly demanded factor, especially when applied to a vehicle.

이러한 관점에서 보다 쉬운 해결 방법이 PCT 특허 제 WO 98/28809호에 기술되고, 상기 특허에서는 냉각 유체(cooling fluid)가 전지의 활성 표면에 인접한 바이폴러 플레이트의 주변부에서 순환한다. 그러나, 이러한 방법으로 막 중심 영역에 그 주변 영역들의 온도보다 높은 온도에서 동작하는 횡단 온도 프로파일(profile)이 형성되어, 막 자체의 보전을 위해 잠재적으로 매우 위험한 열 변화도를 형성한다. An easier solution in this respect is described in PCT patent WO 98/28809, in which a cooling fluid circulates at the periphery of the bipolar plate adjacent to the active surface of the cell. In this way, however, a transverse temperature profile is formed in the membrane central region that operates at temperatures higher than the temperature of its surrounding regions, creating a potentially very dangerous thermal gradient for the integrity of the membrane itself.

마지막으로, 시스템 온도를 100℃ 이하로 설정하기 위해 필요한 열 제거 범위가 달성가능하다 하더라도, 연료 전지 스택들로부터 동시에 발생하는 물 유출(concurrent water drain)은 생성된 용액이 막들의 충분한 가수 수준을 유지하기에는 너무 높게 유지된다; 그러므로, 종래의 스택 설계들은 필요한 부가적인 양의 물을 발전기에 주입하도록 제공하는 제 2 보조 시스템이 냉각 시스템에 추가로 도입된다. 이러한 회로는 통상적으로, 예컨대, 보조 전지들 내의 적절한 막들을 통해 수증기의 확산에 의해 또는 액체상태의 물의 기포에 의해 연료 전지들의 아노딕 및 캐소딕 콤파트먼트들(compartments)의 입구에서 반응물들을 사전에 가수하도록 제공된다. 이러한 제 2 회로는 또한, 명백한 무게, 체적들, 및 투자 비용들의 증가를 수반하고, 또한, 전지 콤파트먼트들 내의 잉여(excess) 액체가 전극의 표면에 대한 기체 반응물들의 액세스를 차단하는 극단적 결과를 초래하기 때문에, 이 전극에 대해 그 시스템에 제공될 물의 양이 엄격히 제어되어야만 한다. 비록 간접적이지만, 상기 시스템에 의해 공급된 물을 조절하는 유일한 방법은 물 자체의 온도에 제어하고, 따라서, 그 증기압을 제어하는 것이다. 이는 순차적으로, 연료 전지 스택들의 가수 시스템의 온도 조절을 필요로 하며, 추가적으로 구조 설계를 복잡하게 한다.Finally, even if the heat removal range required to set the system temperature below 100 ° C is achievable, concurrent water drain from the fuel cell stacks ensures that the resulting solution maintains sufficient valence levels of the membranes. Remains too high to do; Therefore, conventional stack designs further introduce a second auxiliary system to the cooling system which provides for injecting the additional amount of water required into the generator. Such a circuit typically pre-reacts the reactants at the inlet of the anodical and the cathodic compartments of the fuel cells, for example by diffusion of water vapor through the appropriate membranes in the auxiliary cells or by bubbles of liquid water. Is provided to singer in. This second circuit also entails an apparent increase in weight, volumes, and investment costs, and also the extreme consequence that excess liquid in the battery compartments blocks access of gaseous reactants to the surface of the electrode. The amount of water to be provided to the system for this electrode must be strictly controlled. Although indirect, the only way to regulate the water supplied by the system is to control the temperature of the water itself, and thus control its vapor pressure. This, in turn, requires temperature control of the hydrolysis system of the fuel cell stacks and further complicates the structural design.

반응물 흐름에 적절한 물 공급을 보증하기 위한 보다 양호한 해결 방법이 유럽 특허 공개공보 제 316 626호에 개시되어 있으며, 상기 특허에서는 예를 들어, 초음파 에어로졸 발생기에 의해 그곳으로 분무화된(atomised) 물을 분사함으로써 상기 반응물 흐름의 가습을 수행한다. 그에 대해 공급되는 물의 일부가 전지 내측에서 증발하고, 그에 의해, 현저한 양의 열을 제거하기 때문에, 이 해결 방법은 부담스러운 보조 열 교환 회로에 의해 상기 스택을 냉각할 필요를 부분적으로 제거하였다. 그러나, 이 시스템은 고가이면서, 연료 전지에 의해 발생되는 전기 출력의 소정 부분을 소모하게 되는 에어로졸 발생기와 연계된 구조적 복잡성에 의해 나타나는 기본적 결함에 의한 부정적인 영향을 갖는다.A better solution for ensuring adequate water supply to the reactant stream is disclosed in EP 316 626, which discloses, for example, water atomized therein by an ultrasonic aerosol generator. Humidification of the reactant stream is carried out by spraying. This solution partly eliminated the need to cool the stack by the burdensome auxiliary heat exchange circuit, because part of the water supplied thereto evaporated inside the cell, thereby removing a significant amount of heat. However, this system is expensive and has the negative effect of the underlying defects exhibited by the structural complexity associated with the aerosol generator, which consumes a certain portion of the electrical output generated by the fuel cell.

부가적으로, 특히 고전류 밀도와, 많은 수의 전지들을 포함하는 스택의 경우에, 보조 회로를 사용하지 않고 스택의 냉각과 막의 습윤을 동시에 보장하기에는 전지 내에 물이 존재하는 시간이 너무 짧다. Additionally, especially in the case of stacks with high current densities and a large number of cells, the time the water is present in the cell is too short to ensure simultaneous cooling of the stack and wetting of the membrane without the use of auxiliary circuits.

또한, 상기 반응물들을 상기 입구 매니폴드로 보내기 이전에 분무화된 물을 추가하는 경우나 반응물들을 습윤시키는 경우, 그 내부에 일부 물의 응결(condensation)이나 물방울이 형성될 수 있고, 상기 스택의 일부 전지들(일반적으로 반응물 입구에 보다 가까운 것들)에 과다한 양의 물을 공급하고, 다른 일부 전지들(일반적으로, 반응물 입구로부터 보다 멀리 있는 것들)에 불충분한 양의 물을 공급하는 결과를 갖는다.In addition, when adding atomized water or wetting the reactants prior to sending the reactants to the inlet manifold, condensation or water droplets of some water may be formed therein, and some cells of the stack This results in supplying an excessive amount of water to the fields (generally closer to the reactant inlet) and insufficient water to some other cells (generally those farther from the reactant inlet).

본 발명은 예를 들어, 미국 특허 제 5,482,792호에 개시된 바와 같이 전극면과 바이폴러 플레이트 사이에 개재된 망형(reticulated) 전기적 열적 도전성 재료를 포함하는 연료 전지 스택에 관한 것이며, 여기서, 상기 반응물들의 습윤과 열적 제어는 적절한 물의 유동의 단일 회로 직접 분사에 의해 달성되고, 이는 부분적으로 망형 재료내측에서 증발하여 넓은 표면과 그 열적 도전성을 활용하여 전극들로부터 열을 효과적으로 추출하게 한다.The present invention relates to a fuel cell stack comprising a reticulated electrically thermally conductive material sandwiched between an electrode face and a bipolar plate as disclosed, for example, in US Pat. No. 5,482,792, wherein the wetting of the reactants Superthermal control is achieved by a single circuit direct injection of the appropriate flow of water, which partially evaporates inside the mesh material to utilize the large surface and its thermal conductivity to effectively extract heat from the electrodes.

본 발명의 일 실시예에서, 가스성 유동 내의 물의 분사점은 반응물 입구 매니폴드 하류에 위치된다.In one embodiment of the invention, the injection point of water in the gaseous flow is located downstream of the reactant inlet manifold.

다른 실시예에서, 상기 분사점은 반응물들이 공급되는 것들로부터 물리적으로 분리된 영역에서, 상기 망형 재료의 외주의 대응부에 위치된다.In another embodiment, the spray point is located in a counterpart of the outer periphery of the mesh material in a region physically separated from those to which reactants are fed.

다른 실시예에서, 물은 상기 망형 재료의 내측에 형성된 오목부들에 대응하여 분사된다.In another embodiment, water is sprayed corresponding to the recesses formed inside of the mesh material.

다른 실시예에서, 상기 물은 상기 망형 재료 내측에 제공된 뱀과 같이 꼬불꼬불한 형상의 오목부(serpentine-shaped)들에 대응하여 분사되고, 그 전체 표면을 따라 흐른다.In another embodiment, the water is sprayed corresponding to serpentine-shaped serpentines, such as a snake provided inside the mesh material, and flows along its entire surface.

다른 실시예에서, 상기 물은 상기 망형 재료 내측에 제공된 오프셋 이중 콤브형(comb-shaped) 오목부들에 대응하여 분사된다.In another embodiment, the water is sprayed corresponding to offset double comb-shaped recesses provided inside the mesh material.

도 1은 필터-프레스 배열로 조립된, 본 발명에 따른 막 연료 전지 스택의 개관을 도시하는 도면.1 shows an overview of a membrane fuel cell stack according to the invention, assembled in a filter-press arrangement.

도 2a는 필터-프레스 배열 내에 조립된, 종래 기술의 막 연료 전지 스택의 개관을 도시하는 도면.2A shows an overview of a membrane fuel cell stack of the prior art, assembled in a filter-press arrangement.

도 2b는 종래 기술의 바이폴러 플레이트를 도시하는 도면.2b shows a bipolar plate of the prior art;

도 3, 4, 5, 및 6은 연료 전지를 위한 가스킷들의 다양한 형태를 도시하는 도면.3, 4, 5, and 6 illustrate various forms of gaskets for fuel cells.

도 7, 8, 9 및 10은 연료 전지 스택들의 내측의 전극들과 바이폴러 플레이트들 사이의 접속과 유체들의 분배를 위한 망형 소자의 다양한 형태를 도시하는 도면.7, 8, 9 and 10 illustrate various forms of mesh elements for connection between electrodes and the bipolar plates and the distribution of fluids inside the fuel cell stacks.

첨부된 도면을 참조로 본 발명의 상세히 설명한다.With reference to the accompanying drawings will be described in detail the present invention.

도 1을 참조하면, 필터-프레스 배열의 모듈 조립체의 반복 유니트(repetitive unit)를 나타내는 각 단전지(1; elementary cell)는 내측으로부터 외측으로 진행하면서, 이온 교환막(2)과, 한쌍의 다공성 전극들(3)과, 상기 막(2)과 각 전극들(3) 사이의 경계면에 형성된 한쌍의 촉매층들(4)과, 한쌍의 전기 도전성 망형 소자들(5)과, 주변 밀봉을 위한 한쌍의 가스켓들(6)과, 단전지(1)의 경계를 한정하는 한쌍의 바이폴러 플레이트들(7; bipolar plate)을 포함한다. 상기 망형 소자(5)는 50%의 최소 공극률(porosity)을 가지며, 상기 바이폴러 플레이트들(7)을 전극들(3)에 전기적으로 접속하는 기능을 수행하고, 가스성 반응물과 가습수(humidification water)를 분배시키며, 상기 가습수를 상기 망형 소자의 전체 두께를 통해 미세하게 분할하고, 따라서, 상기 바이폴러 플레이트(7)와 전극(3)에 의해 한정된 챔버의 전체 체적 내측의 증발을 양호하게 한다. 바이폴러 플레이트들(7)의 외주 영역과 가스켓(6)의 외주 영역상의 적절한 개구(apertures)들은 상술한 콤포넌트들의 병치(juxtaposition)시, 도면에는 단 하나만이 도시되어 있는, 두 개의 상부 매니폴드(8)를 형성하며, 상기 두 개의 상부 매니폴드는 반응물을 공급하도록 사용될 수 있고, 또한, 도면에는 단 하나 만이 도시되어 있는, 두 개의 하부 매니폴드(9)를 형성하고, 상기 하부 매니폴드는 생성된 물과, 가스성 물활성체들 및 반응물들 중 미변환된 부분들을 방출하기 위해 사용될 수 있다. 선택적으로, 상기 하부 매니폴드(9)는 공급 덕트로서 사용되고, 상부 매니폴드(8)는 배출 덕트로서 사용될 수 있다. 또한, 두가지 반응물들 중 하나를 상부 매니폴드들(8)중 하나를 통해 공급하고, 대응하는 하부 매니폴드를 출구로서 사용하며, 나머지 반응물을 나머지 하부 매니폴드(9)를 통해 공급하고, 대응하는 상부 매니폴드(8)를 출구로 사용하는 것도 가능하다.Referring to FIG. 1, each of the unit cells 1 representing a repetitive unit of the module assembly in the filter-press arrangement proceeds from the inside to the outside, with an ion exchange membrane 2 and a pair of porous electrodes. , A pair of catalyst layers 4 formed at the interface between the membrane 2 and the electrodes 3, a pair of electrically conductive mesh elements 5, and a pair of peripheral seals Gaskets 6 and a pair of bipolar plates 7 defining the boundaries of the unit cell 1. The mesh element 5 has a minimum porosity of 50%, serves to electrically connect the bipolar plates 7 to the electrodes 3, and to form a gaseous reactant and humidification water. water, and the humidifying water is subdivided finely through the entire thickness of the mesh element, thus providing good evaporation inside the entire volume of the chamber defined by the bipolar plate 7 and the electrode 3. do. Appropriate apertures on the outer circumferential region of the bipolar plates 7 and the outer circumferential region of the gasket 6 are, in the juxtaposition of the above-described components, only two upper manifolds, shown in the figure. 8), wherein the two upper manifolds can be used to supply reactants, and also form two lower manifolds 9, only one is shown in the figure, and the lower manifolds create Water and unconverted portions of the gaseous water activators and reactants. Optionally, the lower manifold 9 can be used as a supply duct and the upper manifold 8 can be used as an outlet duct. In addition, one of the two reactants is fed through one of the upper manifolds 8, the corresponding lower manifold is used as the outlet, the remaining reactants are fed through the remaining lower manifold 9, and the corresponding It is also possible to use the upper manifold 8 as an outlet.

필터-프레스 배열 내의 단전지(1) 조립체 외측으로, 두 개의 단부판들(10)이 있으며, 이들 중 하나는 도면에 도시되지 않은, 매니폴드들(8, 9)에 대한 유압 접속을 위한 피팅(fitting)들을 가지고 있으며, 이들 양자 모두는 도면에 도시되지 않은, 완전한 스택을 클램프하도록 사용되는 타이-로드(tie-rod)를 위한 적절한 구멍(hole)들을 구비하고 있다. Outside the unit cell 1 assembly in the filter-press arrangement, there are two end plates 10, one of which is a fitting for hydraulic connection to the manifolds 8, 9, not shown in the figure. They have fittings, both of which have suitable holes for tie-rods used to clamp the complete stack, not shown in the figure.

도 2a 및 도 2b를 참조하면, 필터-프레스 배열의 모듈 조립체의 반복 유니트를 구성하는 각 단전지(1')는 내측으로부터 외측으로 진행하면서, 이온교환막(2')과, 한쌍의 다공성 전극들(3')과, 상기 막(2')과 각 전극들(3') 사이의 경계면에 형성된 한쌍의 촉매층들(4')과, 유압 밀봉을 위한 한쌍의 평면 가스켓들(6')과, 단전지(1')의 경계를 한정하는 한쌍의 바이폴러 플레이트들(7')을 포함한다. 상기 바이폴러 플레이트들(7')은 리브형 프로파일(ribbed profile)(11)을 가지며, 그 돌출부는 상기 스택을 통한 전기적 연속성을 보증하고, 그 오목부는 가스들 및 물의 순환을 허용한다. 바이폴러 플레이트들(7')의 외주 영역의 적절한 개구들은 상술한 콤포넌트들의 병치시, 도면에는 단 하나만이 도시되어 있는, 두 개의 상부 매니폴드(8')를 형성하며, 상기 두 개의 상부 매니폴드는 반응물을 공급하도록 사용될 수 있고, 또한, 도면에는 단 하나 만이 도시되어 있는, 두 개의 하부 매니폴드(9')를 형성하고, 상기 하부 매니폴드는 생성된 물과, 가스성 불활성체들 및 반응물들 중 미변환된 부분들을 방출하기 위해 사용될 수 있다. 이 경우에도, 상부 및 하부 매니폴드의 기능을 반대로 사용하는 것이 가능하다.2A and 2B, each unit cell 1 'constituting the repeating unit of the module assembly of the filter-press arrangement proceeds from the inside to the outside, with an ion exchange membrane 2' and a pair of porous electrodes. (3 '), a pair of catalyst layers (4') formed at the interface between the membrane (2 ') and each of the electrodes (3'), a pair of planar gaskets (6 ') for hydraulic sealing, It includes a pair of bipolar plates 7 'defining a boundary of the unit cell 1'. The bipolar plates 7 'have a ribbed profile 11, the protrusion of which ensures electrical continuity through the stack, and the recess allows the circulation of gases and water. Appropriate openings in the outer circumferential region of the bipolar plates 7 'form two upper manifolds 8', in which only one is shown in the figure, in the juxtaposition of the components described above, the two upper manifolds. Can be used to supply the reactants, and also forms two lower manifolds 9 ', in which only one is shown in the figure, the lower manifolds producing water, gaseous inerts and reactants Can be used to release unconverted portions of the two. Even in this case, it is possible to reverse the functions of the upper and lower manifolds.

필터-프레스 배열 내의 단전지(1') 조립체 외측으로, 두 개의 단부판들(10')이 있으며, 이들 중 하나는 도면에 도시되지 않은, 매니폴드들(8', 9')에 대한 유압 접속을 위한 피팅들을 가지고 있으며, 이들 양자 모두는 도면에 도시되지 않은, 완전한 스택을 클램프하도록 사용되는 타이-로드를 위한 적절한 구멍들을 구비하고 있다. Outside the unit cell 1 'assembly in the filter-press arrangement, there are two end plates 10', one of which is hydraulic for the manifolds 8 ', 9', not shown in the figure. There are fittings for the connection, both with suitable holes for tie-rods used to clamp the complete stack, not shown in the figure.

도 3, 4, 5, 및 6을 참조하면, 가스켓(6)의 몇몇 실시예들이 도시되어 있으며, 상기 가스켓은 필터-프레스 배열 내의 병치에 의해 상부 매니폴드(8)를 형성하는 상부 구멍(12)과, 필터-프레스 배열 내의 병치에 의해 하부 매니폴드(9)를 형성하는 하부 구멍(13)과, 망형 소자(5)를 위한 하우징과, 선택적으로, 물(15)의 분사를 위한 하나 이상의 채널을 포함한다.Referring to Figures 3, 4, 5, and 6, some embodiments of the gasket 6 are shown, the gasket having an upper hole 12 that forms the upper manifold 8 by juxtaposition in the filter-press arrangement. ), A lower hole 13 that forms the lower manifold 9 by juxtaposition in the filter-press arrangement, a housing for the mesh element 5, and optionally one or more for spraying water 15. It includes a channel.

도 7a를 참조하면, 롬보이달 메쉬(rhomboidal mesh)를 가진 평탄화된 팽창 시트로 제조된 망형 소자(5)의 일 실시예가 도시되어 있고, 도 7b에는 스퀘어 메쉬 를 가진 평면형 미세 네트가 도시되어 있다.Referring to FIG. 7A, one embodiment of a mesh element 5 made of a flattened expansion sheet with a rhomboidal mesh is shown, and in FIG. 7B a planar fine net with a square mesh is shown. .

도 8, 9 및 10을 참조하면, 망형 소자의 몇몇 실시예가 도시되어 있으며, 이들은 금속 발포체(foam) 같은 변형가능한 금속성 재료로 제조되어 있으며, 도 9 및 도 10의 예에서는 물 분사를 위한 적절한 채널로서 작용하는 오목부들(16)이 예를 들어 냉간 압연(cold-pressing)에 의해 상기 금속성 재료 내측에 형성되어 있다.8, 9 and 10, several embodiments of meshed devices are shown, which are made of deformable metallic material, such as metal foam, and in the examples of FIGS. 9 and 10 suitable channels for water spraying. Concave portions 16, which serve as a film, are formed inside the metallic material, for example by cold-pressing.

제 1 실시예First embodiment

하나는 15개의 단전지들(1)로, 나머지 하나는 30개의 단전지들(1)로 제조된 두 개의 스택들이 도 1의 개념에 따라 제조되며, 하기와 같은 콤포넌트들을 설치한다.Two stacks made of 15 single cells 1 and one of 30 single cells 1 are manufactured according to the concept of FIG. 1, and install the following components.

- 듀퐁 드 네모어스에 의해 판매되는 Nafion

Figure 112005012656032-pct00016
115인 이온 교환막(2)-Nafion for sale by Dupont de Nemores
Figure 112005012656032-pct00016
115 phosphor ion exchange membrane (2)

- 200cm2의 활성면을 가진, 활성 카본상에 지지된 백금 입자들로 제조된 촉매층(4)에 의해 활성화된, ELAT

Figure 112005012656032-pct00017
라는 상표명으로 이-테크 인코포레이티드(E-TAK Inc.)에 의해 판매되는 전극(3)ELAT, activated by a catalyst layer 4 made of platinum particles supported on activated carbon, with an active surface of 200 cm 2
Figure 112005012656032-pct00017
Electrode (3) sold by E-TAK Inc. under the trade name

- 1 내지 3mm 사이로 포함된 공극(pores)을 가지는 도 8에 도시된 바와 같은 니켈 발포체로 제조된 망형 소자(5)Mesh element 5 made of nickel foam as shown in FIG. 8 with pores comprised between 1 and 3 mm

- 도 3의 개념에 따른 가스켓(6)A gasket 6 according to the concept of FIG. 3.

- 2mm 두께의 스텐레스강판으로 제조된 바이폴러 플레이트(7)-Bipolar plate (7) made of stainless steel sheet of 2mm thickness

- 가변 저항 부하에 접속된 집전 소켓들을 구비한, 외부 전지들의 바이폴러 플레이트(7)에 전기적으로 접속되어 있는 알루미늄 단부판(10).An aluminum end plate 10 electrically connected to a bipolar plate 7 of external cells, with current collecting sockets connected to a variable resistance load.

상기 스택들은 상기 단부판들(10)중 하나에 장착된 적절한 피팅을 통해 가스성 반응물 공급원들 및 외부 회로에 연결되고, 상기 외부 회로에는 열 교환기에 의해 소정 온도로 열적으로 설정된 탈염수(demineralized water)가 순환되고 있다. 이 접속들을 통해, 상기 스택들은 상부 구멍들(12)의 필터-프레스 구조와, 대응하는 바이폴러 플레이트들(7) 내의 개구들의 병치에 의해 얻어진 상부 매니폴드(8)에 의해, 양극(아노드)에서 수소의 70%를 함유하는 혼합물을, 그리고, 음극(캐소드)에서 공기를 공급받게 된다. 동일한 매니폴드(8)는 대응하는 회로로부터 탈염수의 스트림(stream)을 공급받으며, 그 유량은 필요에 따라서, 상기 시스템의 동역학적 응답에 따라 규제된다. 상기 스택들은 분사된 물의 증발에 의해 매니폴드(8)로 공급되는 것에 부가하여 보조 냉각부를 구비하지 않는다. The stacks are connected to gaseous reactant sources and external circuits through appropriate fittings mounted on one of the end plates 10, wherein the external circuits are demineralized water thermally set to a predetermined temperature by a heat exchanger. Is circulating. Through these connections, the stacks are connected to the positive electrode (anode) by means of an upper manifold 8 obtained by juxtaposition of the filter-press structure of the upper holes 12 and the openings in the corresponding bipolar plates 7. ) Receives a mixture containing 70% of hydrogen and air at the cathode (cathode). The same manifold 8 receives a stream of demineralized water from the corresponding circuit, the flow rate of which is regulated according to the dynamic response of the system, if necessary. The stacks do not have auxiliary cooling in addition to being supplied to the manifold 8 by evaporation of the injected water.

상기 스택들은 300mA/cm2의 전류 밀도에서 12 시간 동안 작동되며, 상기 전지들의 온도를 70℃로 규제하고, 단일 전지의 전압을 모니터링한다. 상기 수류량은 상기 단일 전지의 전압을 최대화하도록 수동으로 규제된다. 이 수동 규제의 말단에서, 715 내지 745 mV 사이로 포함된 전압이 양 스택들의 각 전지상에서 검출된다. 30개의 전지 스택에서, 가장 낮은 전압값들을 가진 전지들은 물 입구(미부 전지; tail cell)와, 반응물에 연결된 단부판으로부터 보다 멀리 통계적으로 분배되어 있으며, 한시간의 동작 이후에, 상기 단일 전지의 전압은 일반적으로 일정하게 된다. The stacks are operated for 12 hours at a current density of 300 mA / cm 2 , regulating the temperature of the cells to 70 ° C. and monitoring the voltage of a single cell. The amount of water flow is manually regulated to maximize the voltage of the single cell. At the end of this manual regulation, a voltage comprised between 715 and 745 mV is detected on each cell of both stacks. In a 30 cell stack, the cells with the lowest voltage values are statistically distributed farther from the water inlet (tail cell) and end plates connected to the reactants, and after an hour of operation, the voltage of the single cell Is generally constant.

그 다음에, 두 개의 스택들로부터 600mA/cm2의 전류 밀도를 인출하기 위해서 단부판들(10)에 적용된 저항 부하가 변화된다. 이때, 15개의 전지 스택은 안정한 작동 조건을 유지하고, 단일 셀 전압은 600 내지 670mV 사이이며, 가장 낮은 값들은 미부 전지들 사이에 통계학적으로 분포되고, 가장 양호하게는, 30개의 전지 스택은 국부적 과열의 결과로서 단부 전지들에 의해 나타나는 전압들이 연속적으로 감소하기 때문에, 약 한 시간 이후 차단(shut-down)된다.The resistive load applied to the end plates 10 is then changed to draw a current density of 600 mA / cm 2 from the two stacks. At this time, 15 cell stacks maintain stable operating conditions, single cell voltage is between 600 and 670 mV, the lowest values are statistically distributed among the tail cells, and most preferably, 30 cell stacks are local. Shut-down after about an hour, because the voltages exhibited by the end cells as a result of overheating continue to decrease.

동일한 물을 상부 매니폴드(8)로 분사하기 이전에, 초음파 에어로졸 발생기로 물을 분무함으로써 동일한 시험이 반복되었다. 모든 경우에, 성능의 변화가 없었다.Prior to spraying the same water into the upper manifold 8, the same test was repeated by spraying water with the ultrasonic aerosol generator. In all cases, there was no change in performance.

제 1 비교예First Comparative Example

도 2의 개념에 따라, 종래 기술에 따라서 15개의 연료 전지 스택이 제조된다.According to the concept of FIG. 2, fifteen fuel cell stacks are manufactured according to the prior art.

상기 스택은 하기와 같은 콤포넌트들을 구비한다.The stack has the following components.

- 듀퐁 드 네모어스에 의해 판매되는 Nafion

Figure 112005012656032-pct00018
115 이온 교환막(2')-Nafion for sale by Dupont de Nemores
Figure 112005012656032-pct00018
115 ion exchange membrane (2 ')

- 200cm2의 활성면을 가진, 활성 카본상에 지지된 백금 입자들로 제조된 촉매층(4)에 의해 활성화된, 이-테크 인코포레이티드에 의해 판매되는 ELAT

Figure 112005012656032-pct00019
전극(3')ELAT sold by E-Tech Incorporated, activated by catalyst layer 4 made of platinum particles supported on activated carbon with an active surface of 200 cm 2
Figure 112005012656032-pct00019
Electrode 3 '

- 전극(3')과 동일한 두께를 가지는 평면형 밀봉 가스켓(6')A planar sealing gasket 6 'having the same thickness as the electrode 3'

- 5mm 두께의 리브형 그라파이트판(graphite sheet)으로 제조된 바이폴러 플레이트(7')Bipolar plate (7 ') made from ribbed graphite sheet (5' thick)

- 가변 저항 부하에 접속된 집전 소켓들을 구비한, 외부 전지들의 바이폴러 플레이트(7')에 전기적으로 접속되어 있는 구리 단부판(10').A copper end plate 10 'electrically connected to a bipolar plate 7' of external cells, with current collecting sockets connected to a variable resistance load.

상술한 실시예와 유사하게, 상기 스택들은 상기 단부판들(10')중 하나 상에 장착된 적절한 피팅을 통해 가스성 반응물의 공급 회로 및 외부 회로에 연결되고, 상기 외부 회로에는 열 교환기에 의해 소정 온도로 열적으로 설정된 탈염수가 순환되고 있다. 이 접속들을 통해, 상기 스택들은 상부 매니폴드(8')에 의해, 양극(아노드)에서 수소의 70%를 함유하는 혼합물을, 그리고, 음극(캐소드)에서 공기를 공급받게 되며, 탈염수의 흐름은 대응하는 회로로부터 동일한 매니폴드(8')로 공급된다. 상기 스택들은 매니폴드(8') 내로 분사된 물의 증발에 의해 제공되는 것에 부가한 보조 냉각부를 구비하지 않는다. 상술한 실시예에서 설명한바와 동일한 방식의 수류량을 규제하기 위한 모든 시도들에도 불구하고, 일부 전지들의 전압들이 랜덤하게 분배되고 과열로 인한 시간에 따른 감소를 나타내는 경향 때문에, 300mA/cm2의 전류 밀도에 도달하는 것이 불가능하였다. 전류 밀도를 감소시킴으로써, 70mA/cm2의 안정한 동작을 얻는 것이 가능하였으며, 이런 값에서, 각 단일 전지의 전압들은 800 내지 550mV 사이에 포함된 범위로 분포되고, 상술한 실시예의 초음파 에어로졸 발생기로 물을 분무할 때, 전류 밀도를 100mA/cm2 까지 증가시키는 것이 가능하였지만, 전류 출력을 추가로 향상시키는 것은 불가능하였다. 이들 시험들의 결과는 스택 내의 다수의 전지들 사이의 물 분사의 부족한 균일성과, 각 전지 내측에서, 리브형 구조 내측의 물의 불규칙한 분배를 나타내고, 상류에서 물을 분무화하는 것이 이 문제를 다소 경감시키지만, 상술한 실시예의 망형 소자에 의해 발생된, 전지의 전체 제적에 걸친 미세한 파열(fragmentation)과 동일한 효율을 갖지 못한다는 것을 나타낸다.Similar to the embodiment described above, the stacks are connected to the supply circuit and the external circuit of the gaseous reactant through suitable fittings mounted on one of the end plates 10 ', which are connected by a heat exchanger. Demineralized water thermally set to a predetermined temperature is circulated. Through these connections, the stacks are supplied by the upper manifold 8 'to a mixture containing 70% of hydrogen at the anode (anode) and to the air at the cathode (cathode) and to the flow of demineralized water. Is supplied from the corresponding circuit to the same manifold 8 '. The stacks do not have auxiliary cooling in addition to that provided by the evaporation of water injected into the manifold 8 '. Despite all attempts to regulate the amount of water flow in the same manner as described in the above embodiment, a current of 300 mA / cm 2 is due to the tendency of the voltages of some cells to be randomly distributed and exhibit a decrease with time due to overheating. It was impossible to reach the density. By reducing the current density, it was possible to obtain a stable operation of 70 mA / cm 2 , at which value the voltages of each single cell were distributed in the range contained between 800 and 550 mV, and with the ultrasonic aerosol generator of the above-described embodiment When spraying, it was possible to increase the current density to 100 mA / cm 2 , but it was impossible to further improve the current output. The results of these tests show poor uniformity of water injection among the multiple cells in the stack, and the irregular distribution of water inside the ribbed structure inside each cell, and spraying water upstream somewhat alleviates this problem. In other words, it does not have the same efficiency as the fine fragmentation over the entire volume of the battery generated by the mesh device of the above-described embodiment.

제 2 실시예Second embodiment

제 1 실시예의 두 개의 스택들은 하부 매니폴드(9)를 통해 물과 가스성 반응물을 공급받으며, 상부 매니폴드(8)를 배출용으로 사용한다. 이들 조건들에서, 다섯 개의 미부 전지가 600mV 이하의 전압으로 남아있기는 하지만, 30개의 전지 스택을 600mA/cm2으로 동작시키는 것이 가능하다. 동일한 전류 밀도에서, 15개의 전지 스택의 전압들은 650 내지 670mV 사이에 포함된 범위로 분포되며, 비록, 최대값이 상부 매니폴드를 통해 분사가 수행되는 이전 실험에 관한 것과 근접하지만, 전지 전압값의 분포는 보다 균질하게 초래되었다. 상기 설명은 복수의 전지들이 보다 높은 레벨에 위치된 메니폴드를 통해 평행하게 공급될 때, 물의 일부가 매니폴드 자체의 저면에 수집될 수 있고, 후속하여, 물 분사점에 근접한 전지들의 그룹의 입구를 통해 떨어져내릴 수 있다는 사실에 기인한다. 저면으로부터의 분사의 경우에, 물은 전지들 내로 떨어지지 않으며, 대신 도입 가스에 의해 흡입되어 각 단일 전지 내측에 보다 균일한 유동을 제공한다.The two stacks of the first embodiment receive water and gaseous reactants through the lower manifold 9 and use the upper manifold 8 for discharge. Under these conditions, it is possible to operate 30 cell stacks at 600 mA / cm 2 , although five tail cells remain at a voltage of 600 mV or less. At the same current density, the voltages of the 15 cell stacks are distributed in a range comprised between 650 and 670 mV, although the maximum value is close to that of the previous experiment where injection is performed through the upper manifold, The distribution resulted in a more homogeneous. The above description shows that when a plurality of cells are fed in parallel through a manifold located at a higher level, a portion of the water may be collected at the bottom of the manifold itself, and subsequently the inlet of the group of cells proximate to the water jetting point. It is due to the fact that it can fall off. In the case of injection from the bottom, water does not fall into the cells, but instead is sucked by the inlet gas to provide a more uniform flow inside each single cell.

제 3 실시예Third embodiment

제 1 및 제 2 실시예의 시험이 연료로서 순수 수소를 공급하여 반복되었고, 아노드측상의 출구 매니폴드를 폐쇄하고, 공기 입구 매니폴드에만 물을 분사하였다. 양자의 경우에, 스택의 성능은 실질적으로 이전의 경우와 동일한 것으로 관찰되었으며, 연료의 몰적 파편(molar fraction)의 증가로 인해 전지 전압들이 미세하게 상승된 것이 발견되었다. 부가적으로, 아노드에서 순수 연료를 전체적으로 소모하는 경우에(데드 엔드(dead-end) 작동), 산화제 유동만을 가습시키기에 충분하였다.The tests of the first and second embodiments were repeated by supplying pure hydrogen as fuel, closing the outlet manifold on the anode side, and spraying water only on the air inlet manifold. In both cases, the performance of the stack was observed to be substantially the same as the previous case, and it was found that the cell voltages rose slightly due to the increase in the molar fraction of the fuel. In addition, in the case of total consumption of pure fuel at the anode (dead-end operation), it was sufficient to humidify only the oxidant flow.

이 경우에, 초음파 에어로졸 발생기로 상류에서 물을 분무화하는 것은 어떠한 긍정적인 효과도 형성하지 않았다.In this case, atomizing water upstream with the ultrasonic aerosol generator did not produce any positive effect.

제 4 실시예Fourth embodiment

앞선 실시예의 30개의 전지 스택은 그 주축에 대하여 35°회전되었고, 그래서, 공기가 공급된 각 가스켓(6)에 대하여, 하부 구멍(13)이 그 초기 위치에 대해 보다 낮은 레벨에 배치되고, 결과적으로, 공기측상의 전체 하부 매니폴드(9)가 그 초기 레벨에 대하여 보다 낮은 높이에 있게 된다. 그후, 상기 스택은 대응하는 하부 매니폴드(9)로부터 공기를 공급받고, 여기에, 앞선 실시예에서와 같이 물이 분사되게 된다. 순수 수소가 소정의 가습 없이 전체 소모되도록 대응하는 하부 매니폴드(9)로부터 공급되고, 데드 엔드 모드 동작에 따라서, 관련 상부 매니폴드(8)를 폐쇄한다.The thirty cell stacks of the previous embodiment were rotated 35 ° about their major axis, so that for each air-fed gasket 6, the lower hole 13 was placed at a lower level relative to its initial position, resulting in As a result, the entire lower manifold 9 on the air side is at a lower height relative to its initial level. The stack is then supplied with air from the corresponding lower manifold 9, to which water is sprayed as in the previous embodiment. Pure hydrogen is supplied from the corresponding lower manifold 9 so that it is consumed entirely without any humidification, and closes the associated upper manifold 8 in accordance with dead end mode operation.

제 5 실시예Fifth Embodiment

도 1의 개념에 따라서, 종래 기술에 따라 45개의 전지 스택이 제조되며, 하기와 같은 콤포넌트들을 구비한다.According to the concept of FIG. 1, 45 cell stacks are manufactured according to the prior art, and have the following components.

- 미국의 고어(Gore)에 의해 Gore Select

Figure 112005012656032-pct00020
라는 상표명으로 판매되는 이온 교환막(2)Gore Select by Gore, USA
Figure 112005012656032-pct00020
Ion exchange membranes sold under the trade name (2)

- 900cm2의 활성면을 가지고, 활성 탄소상에 지지된 백금 입자들에 의해 제조된 촉매층(4)으로 활성화된 미국의 이-테크 인코포레이티드에 의해 ELAT

Figure 112005012656032-pct00021
라는 상표명으로 판매되는 전극(3)ELAT by US E-Tech Incorporated, which has an active surface of 900 cm 2 and is activated with a catalyst layer 4 made of platinum particles supported on activated carbon.
Figure 112005012656032-pct00021
Electrodes sold under the trade name (3)

- 1mm의 측면 길이를 가진 스퀘어 메쉬를 가지는 도 7b에 도시된 바와 같은 전극(3)에 대한 평면 미세 네트와, 3mm의 측면 길이를 가지는 롬보이달 메쉬를 구비하는 바이폴러 플레이트(7)에 대한 도 7a에 도시된 바와 같은 평탄한 팽창 시크를 중첩시킴으로써 제조된 망형 소자(5), 상기 팽창형 시트와 평면 메쉬 양자 모두는 스텐레스강 AISI 316L로 제조됨For a bipolar plate 7 with a planar fine net for the electrode 3 as shown in FIG. 7b with a square mesh with a side length of 1 mm, and a romboidal mesh with a side length of 3 mm. Mesh element 5 fabricated by superimposing a flat expansion seek as shown in FIG. 7A, both the inflatable sheet and the planar mesh are made of stainless steel AISI 316L

- 도 4에 도시된 개념에 따른 가스켓(6)A gasket 6 according to the concept shown in FIG. 4.

- 2mm 두께의 스텐레스강판으로 제조된 바이폴러 플레이트(7)-Bipolar plate (7) made of stainless steel sheet of 2mm thickness

- 가변 저항 부하에 연결된 집전 소켓들을 구비한, 스택의 각 단부에서 바이폴러 플레이트(7)에 전기적으로 접속되어 있는 알루미늄으로 제조된 단부판(10)An end plate 10 made of aluminum which is electrically connected to the bipolar plate 7 at each end of the stack, with current collector sockets connected to a variable resistance load.

상기 스택은 상기 단부판들(10)중 하나 상에 장착된 적절한 피팅을 통해 가스성 반응물의 공급 회로 및 외부 회로에 연결되고, 상기 외부 회로에는 열 교환기에 의해 소정 온도로 열적으로 설정된 탈염수가 순환되고 있다. 이 접속들을 통해, 상기 스택들은 필터-프레스 구조의 바이폴러 플레이트(7)의 대응하는 구멍들과 하부 구멍들(13)을 병치시킴으로써 얻어진 하부 매니폴드(9)에 의해, 양극(아노드)에서 순수 수소를, 그리고, 음극(캐소드)에서 공기를 공급받게 된다. 그 유량이 상기 시스템의 동역학적 응답에 따라서 필요시에 규제되는 탈염수의 유동은 관련 회로로부터 분사 채널(15)로 공급된다. 상기 스택들은 분사 체널(15)로 공급된 물의 증발에 의해 제공되는 것에 부가적인 보조 냉각부를 구비하지 않는다.The stack is connected to the supply and external circuits of the gaseous reactants via suitable fittings mounted on one of the end plates 10, where the demineralized water is thermally set to a predetermined temperature by a heat exchanger. It is becoming. Through these connections, the stacks are at the anode (anode) by means of a lower manifold 9 obtained by juxtaposing the corresponding holes of the bipolar plate 7 of the filter-press structure with the lower holes 13. Pure hydrogen and air are supplied from the cathode (cathode). The flow of demineralized water, whose flow rate is regulated as necessary according to the dynamic response of the system, is fed from the relevant circuit to the injection channel 15. The stacks do not have an auxiliary cooling additional to that provided by the evaporation of the water supplied to the injection channel 15.

상기 스택은 700mA/cm2의 전류 밀도에서 12 시간 동안 작동되며, 상기 전지들의 온도를 75℃로 규제하고, 단일 전지의 전압을 모니터링한다. 상기 수류량은 상기 단일 전지의 전압을 최대화하도록 수동으로 규제된다. 이 수동 규제의 말단에서, 상기 스택의 모든 전지들은 680 내지 700mV 사이에 포함되는 전압을 나타내며, 이는 시간에 따라 안정하게 된다. 이 테스트는 입구 매니폴드에서 물과 가스의 혼합을 결정하는 앞선 실시예들에 사용된 가스켓의 형태에 비해, 입구 매니폴드의 하류에서 보다 작은 덕트에서 두 개의 유체들의 혼합이 발생하는 도 4에 도시된 가스켓을 사용하는 것이 보다 양호하다는 것을 검증할 수 있게 해준다.The stack is operated for 12 hours at a current density of 700 mA / cm 2 , regulating the temperature of the cells to 75 ° C. and monitoring the voltage of a single cell. The amount of water flow is manually regulated to maximize the voltage of the single cell. At the end of this passive regulation, all cells in the stack exhibit a voltage comprised between 680 and 700 mV, which becomes stable over time. This test is shown in FIG. 4 where mixing of two fluids occurs in a smaller duct downstream of the inlet manifold, compared to the type of gasket used in the previous embodiments to determine the mixing of water and gas in the inlet manifold. It allows us to verify that it is better to use a full gasket.

또한, 이 경우에, 상기 채널(15)로 공급된 공기류 내에 분사된 물의 분무화는 어떠한 양호한 효과도 제공하지 못한다는 것을 검증하였다.Also in this case, it was verified that atomization of the water sprayed into the air stream supplied to the channel 15 did not provide any good effect.

제 6 실시예Sixth embodiment

45개의 연료 전지 스택이 앞선 실시예중 하나와 동일하게 조립되고, 도 5에 도시된 것에 대응하는 가스켓이 사용되었다. 이 설계 형태는 가스와 물 스트림의 서로 평행한 방향으로의 독립적 공급을 제공하며, 이는 상기 망형 소자(5) 내로 도입된 이후에, 단일 전지 내측에서 물의 보다 균일한 분배를 보증한다. 제 5 실시예와 동일한 작동 조건하에서, 700mA/cm2으로 작동한 후, 이 스택은 700 내지 715mV 사이에 포함된 전지 전압 값들을 나타낸다.Forty-five fuel cell stacks were assembled identically to one of the previous embodiments, and gaskets corresponding to those shown in FIG. 5 were used. This design form provides independent supply of gas and water streams in parallel directions to each other, which ensures a more even distribution of water inside a single cell after being introduced into the mesh element 5. Under the same operating conditions as the fifth embodiment, after operating at 700 mA / cm 2 , the stack exhibits cell voltage values comprised between 700 and 715 mV.

제 7 실시예Seventh embodiment

45개의 연료 전지 스택은 앞선 실시예중 하나와 동일하게 조립되고, 도 6의 것에 대응하는 가스켓과, 제 1 실시예의 것과 동일한 니켈 발포체로 제조된 망형 소자(5)가 사용되는 것만 다르다. 상기 스택은 상부 매니폴드(8)로부터 반응물을 공급하고, 하부 매니폴드(9)로부터 동일한 것들을 배출하도록 연결된다. 이 가스켓 형태에서, 분사된 가스와, 물 스트림은 망형 소자(5) 내로 삽입된 이후까지 분리되어 있으며, 서로 직교하는 방향으로 혼합된다. 이 경우에, 망형 소자의 상부 영역의 충분한 가습을 보증하기 위해서, 상기 수류는 대부분 상기 채널 내로 도입되고, 미소량만, 상기 전지로 공급하는데 사용되는 상부 매니폴드(8)로 도입되도록 분할된다. 채널(15) 내로 분사되는 물의 부분은 전체중 약 90% 정도로 설정되고, 어떠한 경우에도 80% 미만이 되지 않게 한다. 상기 제 5 및 제 6 실시예와 동일한 작동 조건 하에서 700mA/cm2으로 작동된 이 스택은 710 내지 730mV 사이에 포함되는 전지 전압값을 나타낸다.The 45 fuel cell stacks are assembled identically to one of the previous embodiments, except that the gasket corresponding to that of FIG. 6 and the mesh element 5 made of the same nickel foam as that of the first embodiment are used. The stack is connected to feed reactants from the upper manifold 8 and to drain the same from the lower manifold 9. In this gasket form, the injected gas and the water stream are separated until after they are inserted into the mesh element 5 and are mixed in directions perpendicular to each other. In this case, in order to ensure sufficient humidification of the upper region of the mesh element, the water flow is largely introduced into the channel, and only a small amount is divided so as to be introduced into the upper manifold 8 used to feed the battery. The portion of water sprayed into the channel 15 is set to about 90% of the total, and in no case less than 80%. Operated at 700 mA / cm 2 under the same operating conditions as the fifth and sixth embodiments, the stack exhibits a battery voltage value comprised between 710 and 730 mV.

제 8 실시예Eighth embodiment

45개의 연료 전지 스택은 제 6 실시예와 동일하게 조립되며, 도 9에 도시된 바와 같은 니켈 발포체로 제조된 망형 소자(5)를 사용하는 것만 다르다. 이 경우에, 금속 발포체의 변형성이 활용되어 가스 흐름에 대해 실질적으로 평행한 방향으로의 물의 양호한 분배를 위한 두 개의 작은 채널들 또는 오목부들(16)이 형성되며, 상기 채널들은 상기 발포체의 전체 표면을 가로지르는 뱀과 같은 꾸불꾸불한 형태를 갖는다. 상기 오목부들(16)을 형성하기 위해서는, 소정 두께를 가진 금속 와이어를 금속 발포체로 냉간 압연하는 것으로 충분하다. 이 경우에, 3mm 폭의 뱀과 같은 꾸불꾸불한 형상부가 동일한 두께를 가진 강철 와이어를 냉간 압연함으로써 얻어졌다. 단일 채널(15)로부터 공급받게 될 단일의 뱀과 같은 꾸불꾸불한 형상부나 둘 이상의 뱀과 같은 꾸불꾸불한 형상부를 형성하는 것이 명백히 가능하다. 제 5, 6 및 7 실시예와 동일한 작동 조건들하에서, 700mA/cm2으로 동작된 이 스택은 715 내지 730mV 사이에 포함되는 전지 전압값들을 나타낸다.The 45 fuel cell stacks are assembled in the same manner as the sixth embodiment, except that the mesh element 5 made of nickel foam as shown in FIG. 9 is used. In this case, the deformability of the metal foam is utilized to form two small channels or recesses 16 for good distribution of water in a direction substantially parallel to the gas flow, which channels the entire surface of the foam. It has a serpentine form, like a snake across it. In order to form the recesses 16, it is sufficient to cold roll a metal wire having a predetermined thickness into a metal foam. In this case, a sinuous shape, such as a snake of 3 mm width, was obtained by cold rolling a steel wire having the same thickness. It is obviously possible to form a serpentine shape, such as a single snake or two or more serpentine shapes, to be fed from a single channel 15. Under the same operating conditions as the fifth, sixth and seventh embodiments, this stack operated at 700 mA / cm 2 exhibits battery voltage values comprised between 715 and 730 mV.

제 9 실시예9th embodiment

45개의 연료 전지 스택은 제 7 실시예의 것과 동일하게 조립되며, 도 6의 것에 대응하는 가스켓(6)과, 도 10에 예시된 니켈 발포체로 제조된 망형 소자(5)를 사용하는 것만 상이하다. 이 경우에도, 금속 발포체의 영구 변형성이 활용되어, 물의 양호한 분배를 위한 두 개의 소형 채널들을 형성하지만, 그러나, 이 경우에는, 가스 흐름의 방향에 대해 실질적으로 직교하는 방향으로 물을 공급하는 일련의 평행한 덕트를 형성하도록 오프셋 이중 콤브형 형상이 선택된다. 이는 망형 소자 내측의 전체 압력 강하를 향상시키고, 가스성 반응물들이 보다 많이 비틀어진 경로를 따르게 만들며, 전지의 전체 활성면을 따라 가스성 반응물을 분배시키고 정체(stagnation)나 고갈(depletion) 영역을 피하게 한다. 제 5, 6 및 7 실시예와 동일한 작동 조건들하에서, 700mA/cm2으로 동작된 이 스택은 730 내지 740mV 사이에 포함되는 전지 전압 값들을 나타낸다.The 45 fuel cell stacks are assembled in the same way as in the seventh embodiment, except that only the gasket 6 corresponding to that of FIG. 6 and the mesh element 5 made of the nickel foam illustrated in FIG. 10 are used. Even in this case, the permanent deformation of the metal foam is utilized to form two small channels for good distribution of water, but in this case, however, a series of supplying water in a direction substantially perpendicular to the direction of the gas flow. The offset double comb shaped shape is selected to form parallel ducts. This improves the overall pressure drop inside the mesh, causes gaseous reactants to follow more twisted paths, distributes gaseous reactants along the entire active surface of the cell, and avoids stagnation or depletion areas. Let's do it. Under the same operating conditions as the fifth, sixth and seventh embodiments, this stack operated at 700 mA / cm 2 exhibits cell voltage values comprised between 730 and 740 mV.

비록, 특정 실시예들을 참조로 본 발명을 설명하였지만, 상기 실시예들은 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니며, 본 발명의 범위는 첨부된 청구범위에 정의되어 있다.
Although the present invention has been described with reference to specific embodiments, the above embodiments are not intended to limit the invention and the scope of the invention is defined in the appended claims.

Claims (21)

가스성 반응물을 공급받는 고분자 막 연료 전지의 스택으로서, A stack of polymer membrane fuel cells supplied with a gaseous reactant, 상기 막은 캐소딕 콤파트먼트로부터 아노딕 콤파트먼트를 분리하고,The membrane separates the annodic compartment from the cathodic compartment, 바이폴러 플레이트들과, 유체들을 공급 및 방출하기 위한 채널을 선택적으로 구비한 가스켓들과, 다공성 전극들과, 상기 막들과 상기 전극들 사이에 개재된 촉매층들과, 상기 반응물들의 유동을 공급하기 위한 매니폴드들과, 상기 반응물들 중 반응되지 않은 부분과 불활성체들 및 발생된 물을 방출하기 위한 매니폴드들과, 상기 전지들의 하나 이상의 콤파트먼트 내측에 물 유동을 분사하기 위한 유압 회로를 연결하는 하나 이상의 분사점을 포함하고, Bipolar plates, gaskets optionally provided with channels for supplying and discharging fluids, porous electrodes, catalyst layers interposed between the membranes and the electrodes, and for supplying the flow of reactants Manifolds, unreacted portions of the reactants and inerts and manifolds for releasing the generated water and hydraulic circuits for injecting water flow inside one or more compartments of the cells One or more injection points, 상기 물 유동은 상기 막들의 가습과 발생된 열의 제거를 동시에 제공하며,The water flow simultaneously provides humidification of the membranes and removal of generated heat, 상기 분사점으로부터 도입되는 물과 반응물들을 공급받는 상기 전지들의 하나 이상의 콤파트먼트는 상기 전극들과 상기 바이폴러 플레이트들 사이에 개재된 전기적 및 열적 도전성 망형 소자를 포함하고, 상기 망형 소자는 상기 가스성 반응물로 점유되는 전체 체적을 통해 상기 물 유동을 분배하는 것을 특징으로 하는 고분자 막 연료 전지의 스택.At least one compartment of the cells supplied with water and reactants introduced from the injection point comprises an electrically and thermally conductive mesh element interposed between the electrodes and the bipolar plates, the mesh element being the gas A stack of polymer membrane fuel cells, characterized in that the water flow is distributed through the entire volume occupied by the soluble reactant. 제 1 항에 있어서, 상기 물의 분사점은 상기 하나 이상의 콤파트먼트 외측에 위치되는 것을 특징으로 하는 고분자 막 연료 전지의 스택.The stack of polymer membrane fuel cells of claim 1, wherein the water injection point is located outside the one or more compartments. 제 2 항에 있어서, 상기 물의 분사점은 상기 반응물들의 유동을 공급하기 위한 매니폴드의 입구에 위치되는 것을 특징으로 하는 고분자 막 연료 전지의 스택.The stack of polymer membrane fuel cells of claim 2, wherein the water injection point is located at the inlet of the manifold for supplying the flow of reactants. 제 3 항에 있어서, 상기 반응물의 유동을 공급하기 위한 상기 매니폴드는 하부 매니폴드인 것을 특징으로 하는 고분자 막 연료 전지의 스택.4. The stack of polymer membrane fuel cells as recited in claim 3, wherein said manifold for supplying a flow of reactant is a lower manifold. 제 4 항에 있어서, 상기 스택은 그 주축에 대하여 회전하며, 상기 매니폴드는 가장 낮은 위치에 위치하는 것을 특징으로 하는 고분자 막 연료 전지의 스택.5. The stack of polymer membrane fuel cells in accordance with claim 4, wherein said stack rotates about its major axis and said manifold is located at its lowest position. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전지의 콤파트먼트들 중 단 하나만이 물을 공급받는 것을 특징으로 하는 고분자 막 연료 전지의 스택.The stack of polymer membrane fuel cells according to any one of claims 1 to 5, wherein only one of the compartments of the cell is supplied with water. 제 6 항에 있어서, 상기 물을 공급받는 단 하나의 콤파트먼트는 캐소딕 콤파트먼트인 것을 특징으로 하는 고분자 막 연료 전지의 스택.7. The stack of polymer membrane fuel cells as recited in claim 6, wherein the only one compartment supplied with water is a cathodic compartment. 제 2 항에 있어서, 상기 물의 분사점은 반응물의 유동을 공급하기 위한 매니폴드의 하류에서, 가스켓에 형성된 채널 내에 위치되는 것을 특징으로 하는 고분자 막 연료 전지의 스택.3. The stack of polymer membrane fuel cells according to claim 2, wherein the water injection point is located in a channel formed in the gasket, downstream of the manifold for supplying the flow of reactants. 제 1 항에 있어서, 상기 물의 분사점은 상기 전지들의 내측에 위치되는 것을 특징으로 하는 고분자 막 연료 전지의 스택.The stack of polymer membrane fuel cells as recited in claim 1, wherein the water injection point is located inside the cells. 제 8 항에 있어서, 상기 물의 분사 방향은 상기 반응물들의 유동의 방향과 평행한 것을 특징으로 하는 고분자 막 연료 전지의 스택.The stack of polymer membrane fuel cells according to claim 8, wherein the water injection direction is parallel to the direction of flow of the reactants. 제 8 항에 있어서, 상기 물의 분사 방향은 상기 반응물들의 유동 방향과 직교하는 것을 특징으로 하는 고분자 막 연료 전지의 스택.The stack of polymer membrane fuel cells of claim 8, wherein the water injection direction is orthogonal to the flow direction of the reactants. 제 1 항에 있어서, 상기 망형 소자는 냉간 압연에 의해 변형될 수 있는 것을 특징으로 하는 고분자 막 연료 전지의 스택.The stack of polymer membrane fuel cells according to claim 1, wherein the mesh element can be deformed by cold rolling. 제 12 항에 있어서, 상기 냉간 압연에 의해 변형될 수 있는 상기 망형 소자는 금속 발포체인 것을 특징으로 하는 고분자 막 연료 전지의 스택.The stack of polymer membrane fuel cells according to claim 12, wherein the mesh element that can be deformed by cold rolling is a metal foam. 제 13 항에 있어서, 상기 금속 발포체는 니켈을 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자 막 연료 전지의 스택.The stack of polymer membrane fuel cells according to claim 13, wherein the metal foam comprises nickel. 제 12 항에 있어서, 상기 망형 소자는 물 분배를 위한 하나 이상의 오목부를 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자 막 연료 전지의 스택.13. The stack of polymer membrane fuel cells in accordance with claim 12, wherein said mesh element comprises at least one recess for water distribution. 제 15 항에 있어서, 상기 하나 이상의 오목부는 냉간 압연에 의해 얻어지는 것을 특징으로 하는 고분자 막 연료 전지의 스택.16. The stack of polymer membrane fuel cells in accordance with claim 15, wherein said at least one recess is obtained by cold rolling. 제 15 항에 있어서, 상기 하나 이상의 오목부의 방향은 반응물 유동 방향에 평행한 것을 특징으로 하는 고분자 막 연료 전지의 스택.The stack of polymer membrane fuel cells of claim 15, wherein the direction of the at least one recess is parallel to the reactant flow direction. 제 17 항에 있어서, 상기 오목부들은 뱀과 같은 꾸불꾸불한 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 고분자 막 연료 전지의 스택.18. The stack of polymer membrane fuel cells according to claim 17, wherein the recesses have a serpentine shape. 제 15 항에 있어서, 상기 하나 이상의 오목부의 방향은 상기 반응물 유동 방향과 직교하는 것을 특징으로 하는 고분자 막 연료 전지의 스택.The stack of polymer membrane fuel cells of claim 15, wherein a direction of the one or more recesses is orthogonal to the reactant flow direction. 제 19 항에 있어서, 상기 오목부는 오프셋 이중 콤브형 형상(double comb-shaped geometry)에 따라 배치되는 것을 특징으로 하는 고분자 막 연료 전지의 스택.20. The stack of polymer membrane fuel cells in accordance with claim 19, wherein said recess is disposed according to an offset double comb-shaped geometry. 삭제delete
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